二. 性能优化之基础篇: 经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）

基础概念

1. CPU 寄存器

是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存

2. 程序计数器

用来存储 CPU正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置

3. CPU 上下文切换

通俗理解:将前一个任务的CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来,加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务

进程上下文切换

• 内核空间（Ring0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；
• 用户空间（Ring3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
  

进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态

系统调用相关的概念

1. 从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用
2. 系统调用的过程也会发生cpu上下文切换
3. 系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程
4. 一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换
5. 系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换

• 系统调用与进程上下文切换的区别

1. 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
2. 而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
3. 进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态

如上图所示,保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在 CPU 上运行才能完成

触发进程调度的集中情况

1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
2. 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
3. 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
4. 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
5. 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

线程上下文切换

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位

线程和进程概念

1. 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
2. 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的
3. 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的

线程切换的不同情况

1. 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样
2. 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

中断上下文切换

中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件

1. 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态

所以即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

2. 对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级

所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束